Introduction

La cellule est l’unité structurale et fonctionnelle des êtres vivants. Les cellules présentent des caractéristiques communes mais aussi des spécificités selon leur place dans la classification du vivant ou encore selon leur fonction.

L’organisme humain est pluricellulaire constitué de millions de millions (billions) de cellules eucaryotes. Aussi ses cellules sont-elles organisées et différenciées afin d’assurer des fonctions différentes tout en garantissant une cohésion dans le fonctionnement de l’organisme.

Définition

La cellule se divise afin d’assurer d’une part l’édification et la croissance de l’organisme et d’autre part son entretien par renouvellement des cellules qui meurent tout au long de la vie.

Le cycle cellulaire est l’ensemble des états d’une cellule depuis sa naissance à partir d’une cellule mère jusqu’à sa division en deux cellules filles. La durée d’un cycle cellulaire est variable selon le type de cellule, elle peut être de l’ordre d’une demi-heure pour les cellules embryonnaires ou de 140 jours pour des cellules comme les hématies.

Les différentes phases

Le cycle cellulaire est constitué de deux phases : l’interphase et la mitose qui se succèdent en alternance (figure 2.1).

Figure 2.1 Le cycle cellulaire

L’interphase

C’est la phase située entre deux mitoses, c’est une phase de croissance avec synthèse de protéines permettant l’augmentation de la taille et de la masse de la cellule.

Pendant cette phase la quantité d’ADN va doubler, les chromosomes non visibles passent d’une chromatide à deux chromatides mais leur nombre reste constant égal à 2n (chez l’homme 2n = 46, n étant le nombre de paires de chromosomes, il est égal à 23).

Trois phases constituent l’interphase :

la phase G1 (G pour gap, mot anglais qui signifie « intervalle ») dure en moyenne la moitié d’un cycle cellulaire. C’est une phase de croissance et de préparation à la réplication de l’ADN. Les chromosomes n’ont qu’une chromatide. L’intégrité de l’ADN est contrôlée à la fin de cette phase ;

la phase S (S pour synthesis = « synthèse ») dure environ le tiers d’un cycle cellulaire. C’est la phase de réplication de l’ADN. À la fin de S la cellule possède 2n chromosomes à deux chromatides chacun. Les deux chromatides d’un même chromosome contiennent la même information génétique ;

la phase G2 ne dure qu’1/8 d’un cycle. C’est la phase de croissance et de préparation à la mitose.

La mitose

Elle donne deux cellules filles chacune à 2n chromosomes. Elle est notée phase M. Les deux chromatides de chaque chromosome se séparent donnant deux lots de 2n chromosomes à une chromatide chacun. La quantité d’ADN diminue de moitié mais pas le nombre de chromosomes. Chaque cellule fille est identique à la cellule mère. Même si la mitose se déroule en continu, on la divise en quatre étapes (figure 2.2).

Figure 2.2 La mitose

La prophase

Les chromosomes deviennent visibles, ils sont formés de deux chromatides reliées par le centromère. Les nucléoles disparaissent et le centrosome qui s’est dupliqué au préalable migre à deux pôles de la cellule formant les asters. Des microtubules forment un fuseau mitotique entre les deux centrosomes.

La métaphase

L’enveloppe nucléaire se fragmente en vésicules et les chromosomes se disposent à l’équateur de la cellule formant la plaque équatoriale. Leurs centromères se placent sur les microtubules.

L’anaphase

Les microtubules se raccourcissent obligeant les deux chromatides de chaque chromosome à se séparer, chacune migrant à un pôle opposé de la cellule. On obtient deux lots de 2n chromosomes à une chromatide chacun.

La télophase

Le fuseau mitotique disparaît, les enveloppes nucléaires et les nucléoles des deux cellules filles se reforment. Les chromosomes se décondensent et enfin la division du cytoplasme en deux ou cytodiérèse a lieu par contraction d’un anneau contractile formé de myofilaments.

Régulation

Le cycle cellulaire est déclenché par plusieurs facteurs de croissance par exemple l’EGF (Epithelial Growth Factor) facteur de croissance des cellules épithéliales ou encore les IGF qui stimulent la multiplication de nombreuses variétés de cellules pendant le développement embryonnaire.

Le cycle cellulaire est aussi régulé essentiellement par des Cdk (kinases cyclines-dépendantes) qui sont activées par des cyclines. Des CKI (kinases cyclines-dépendantes inhibitrices) interviennent aussi mais en inhibant les Cdk.

La cellule après une mitose peut entrer en phase de quiescence mitotique (repos) plus ou moins longue, cette phase est notée G0. Pendant G0 la cellule différenciée assure ses fonctions.

Les cellules souches

Une cellule souche est capable tout en se renouvelant indéfiniment de donner naissance à une ou plusieurs lignées de cellules différenciées. Une cellule souche pluripotente peut donner naissance à tous les types de cellules existants dans un organisme, une cellule souche totipotente peut donner un organisme entier.

On distingue les cellules souches de tissus embryonnaires et les cellules souches des organismes adultes. Pour la première catégorie, il en existe trois sortes : les cellules souches embryonnaires (ES), les cellules embryonnaires germinales (EG) et les cellules de carcinome embryonnaire (EC). Ces cellules sont pluripotentes. Les premières cellules embryonnaires jusqu’au stade 32 blastomères sont totipotentes, au-delà de ce stade elles sont pluripotentes. Le contrôle de leur multiplication est parfois assuré par des protéines appelées oncoprotéines qui n’interviennent plus après la vie fœtale sauf en cas de cancer.

Concernant les cellules souches d’un organisme adulte, leur multiplication assure le remplacement des cellules qui meurent (cellules lésées ou cellules âgées). La mort cellulaire programmée est un phénomène intracellulaire appelé apoptose (figure 2.3). Seuls certains organes ou tissus renouvellent leurs cellules à partir de cellules souches comme la moelle osseuse, la peau ou les épithéliums de revêtement. Ces cellules souches adultes sont soit unipotentes ne donnant qu’un seul type de cellules différenciées soit multipotentes pouvant donner plusieurs types de cellules. Par exemple les spermatogonies et les ovogonies à l’origine respectivement des gamètes mâles ou spermatozoïdes et des gamètes femelles ou ovocytes sont unipotentes. Les cellules souches hématopoïétiques de la moelle osseuse rouge ou hématopoïétique à l’origine de toutes les catégories de cellules sanguines sont pluripotentes. Elles donnent naissance à neuf lignées, la cellule souche lymphoïde (CFU-L) évoluant en lymphocytes T et B et la cellule souche myéloïde (CFU-GEMM) étant à l’origine de toutes les autres cellules sanguines (érythrocytes ou hématies, thrombocytes ou plaquettes, monocytes, granulocytes et mastocytes) (tableau 2.I).

Figure 2.3 Apoptose. Formation des corps apoptotiques par fragmentation de la cellule

Tableau 2.I Les trois compartiments (cellules souches, cellules déterminées et cellules en voie de maturation) et les lignées de l’hématopoïèse

Les différenciations moléculaire et morphologique

L’expression d’une partie de l’information génétique d’une cellule est à l’origine de la synthèse de protéines spécifiques qui déterminent la fonction de la cellule. La présence de protéines fabriquées par la cellule ou de l’ARNm correspondant (voir chapitre 3, l’information génétique) que l’on est capable de mettre en évidence par diverses techniques (colorations spécifiques, techniques immunologiques, hybridation moléculaire) permet de distinguer différents types de cellules même si morphologiquement elles se ressemblent. Certaines de ces molécules ou plus souvent la combinaison de plusieurs d’entre elles sont des marqueurs de lignées cellulaires.

La formation de structures différenciées au niveau des cellules par exemple des cils, des microvillosités ou encore des vésicules de sécrétion permet de classer ces dernières en différentes catégories. Ces structures sont visibles en général au microscope optique (MO) ou au microscope électronique (ME).

Les cellules s’organisent donc en tissus, ensembles de cellules semblables ayant la même origine et participant à la même fonction. Cette notion de tissu – concept élaboré par Bichat à la fin du xviii^e siècle – peut être modulée en ajoutant les notions de cellules différenciées semblables ou non regroupées sur un territoire et ayant des caractéristiques propres (renouvellement, contact entre cellules…).

Intérêt thérapeutique

La thérapie cellulaire consiste en l’introduction de cellules souches adultes saines afin de remplacer des cellules malades ou mortes chez un individu. Ces cellules peuvent être prélevées chez le patient lui-même. Par exemple cette thérapie permet des greffes de la peau en cas de brûlures graves ou encore des greffes de moelle osseuse dans le cas de leucémies. Actuellement des essais expérimentaux sont réalisés pour traiter l’insuffisance cardiaque qui fait suite en général à un infarctus du myocarde (IDM). La partie du cœur nécrosée ne peut pas se régénérer. Aussi le prélèvement de cellules de moelle osseuse du patient, leur mise en culture puis leur implantation dans le cœur permettraient à ces cellules de se différencier en cellules musculaires cardiaques. Elles remplaceraient alors une partie des cellules mortes et assureraient à nouveau le fonctionnement de la zone nécrosée. D’autres pathologies comme les maladies d’Alzheimer et de Parkinson ou encore le diabète commencent à être traitées par thérapie cellulaire. L’utilisation de cellules souches embryonnaires pose le problème éthique de l’utilisation d’embryons humains, qu’ils soient surnuméraires provenant d’une aide médicale à la procréation (AMP) ou procréation médicalement assistée (PMA), ou qu’ils soient crées par clonage thérapeutique. L’utilisation de cellules souches embryonnaires est interdite en France mais les recherches sur ces cellules sont autorisées à condition que les embryons soient des embryons surnuméraires issus de l’AMP et qu’ils ne fassent plus l’objet d’un projet parental. Les clonages thérapeutiques et reproductifs sont interdits (loi de 2004).

La loi de bioéthique de juillet 2011 autorise la recherche sur des cellules souches embryonnaires mais dans un cadre bien précis.

Les grandes catégories de cellules

La cellule est une structure compartimentée, formée de trois composants visibles au microscope optique : la membrane plasmique, le cytoplasme et le noyau. Le cytoplasme comprend le hyaloplasme et les organites (figure 2.4).

Figure 2.4 Granulocyte neutrophile

À l’échelle du monde vivant on distingue plusieurs types de cellules : les cellules procaryotes, les cellules eucaryotes, les cellules animales et les cellules végétales (non traitées ici).

Les deux premiers types reposent sur des différences structurales notamment l’organisation du noyau. Le matériel génétique de la cellule procaryote est constitué d’un seul chromosome circulaire. Celui-ci n’est pas délimité du cytoplasme par une enveloppe nucléaire. On parle parfois de noyau primitif. La cellule procaryote est la première cellule apparue sur la terre il y a environ 3.5 milliards d’annéeschapitre 3, L’information génétique).

La cellule eucaryote quant à elle possède un noyau vrai, délimité par une enveloppe nucléaire et de nombreux organites dans son cytoplasme (voir chapitre 3, l’information génétique). La cellule eucaryote est apparue il y a 1,5 milliard d’années. À l’échelle de l’organisme on distingue de nombreux types de cellules qui constituent les tissus. Cependant les cellules ont une organisation commune basée sur la compartimentation dont les organites sont les piliers.

Les structures cellulaires

Nous traiterons ici des cellules constitutives de l’organisme humain c’est-à-dire des cellules eucaryotes animales dont la taille est de l’ordre de quelques microns (μm) ou dizaines de microns (figure 2.5).

Figure 2.5 Représentation schématique tridimensionnelle d’une cellule à sécrétion exocrine

1. Endocytose. 2. Nucléoplasme. 3. Chromatine marginale. 4. Enveloppe nucléaire. 5. Membrane mitochondriale externe. 6. Crête mitochondriale. 7. Microtubule. 8. Grains de sécrétion. 9. Centriole. 10. Appareil de Golgi. 11. Ribosome. 12. Membrane du REG 13. Espace périnucléaire. 14. Nucléole

Les membranes

Elles sont les structures qui délimitent la cellule d’une part et les organites d’autre part. Elles assurent les échanges entre les différents compartiments.

La membrane plasmique délimite la cellule et la sépare du milieu extracellulaire. Elle est formée d’une double couche lipidique dans laquelle sont enchâssées des protéines (figure 2.6). Au microscope électronique elle présente trois feuillets, deux feuillets externes de 2,5 nm séparés par un feuillet central de 3 nm (figure 2.7).

– Le feuillet externe est au contact du milieu extracellulaire. Il est recouvert par le cell coat constitué de la partie glucidique des glycoprotéines et glycolipides. Le feuillet interne est en relation avec le cytoplasme ou cytosol. Ces deux feuillets sont formés de phospholipides (ex. : la phosphatidylcholine), de cholestérol et de glycolipides dans les proportions 55 %, 25 % et 20 %. Ces lipides possèdent une région hydrophobe apolaire constituée par les chaînes d’acides gras et une région hydrophile polaire constituée par une tête comprenant le glycérol et le phosphate estérifié par un alcool (voir chapitre 1, Les molécules du vivant).

Figure 2.6 Structure de la membrane plasmique

1. Milieu extracellulaire. 2. Chaîne oligosaccharidique. 3. Glycoprotéine. 4. Phospholipide. 5. Cholestérol. 6. Protéine intrinsèque 7. Filaments du cytosquelette. 8. Protéine périphérique intracellulaire. Les protéines périphériques extracellulaires ne sont pas représentées. 9. Acides gras

Figure 2.7 Membrane plasmique d’un érythrocyte (× 200 000 et × 400 000).

La double couche lipidique est imperméable et fluide. Les lipides se déplacent dans la membrane par déplacements latéraux, par rotation ou encore par un mouvement de bascule d’une couche à l’autre appelé flip-flop (figure 2.8).

– Les protéines membranaires sont moins nombreuses que les lipides (1 protéine pour 100 lipides) mais sont beaucoup plus volumineuses (30 à 50 fois). Elles ont la capacité de se déplacer dans la membrane par diffusion latérale.

Figure 2.8 Mouvement des molécules lipidiques dans la membrane plasmique

1. Mouvement de diffusion latérale. 2. Mouvement de flip-flop. 3. Mouvement de rotation

Parmi les protéines, les protéines intrinsèques ou intramembranaires, ou encore transmembranaires, possèdent un pôle hydrophobe et un pôle hydrophile. Elles occupent la totalité ou la quasi-totalité de l’épaisseur de la membrane. Ce sont des récepteurs ou encore des canaux ioniques.

Les protéines périphériques ou extrinsèques sont hydrophiles. Elles s’insèrent dans la bicouche lipidique soit du côté extracellulaire soit du côté cytosolique.

Les protéines membranaires assurent différentes fonctions :

– le transport transmembranaire de substances ;

– la réception d’informations ;

– une activité enzymatique ;

– une liaison entre le cytosquelette et la membrane plasmique ;

– l’adhérence entre cellules ou avec un support ;

– la reconnaissance cellulaire (voir cell coat) ;

– la fixation de cellules, virus ou toxines ;

– la fixation de substances médicamenteuses …

Le cell coat ou glycocalyx est constitué de glycoprotéines et de glycolipides. Il assure une protection par sa résistance à certaines enzymes, et une aide aux mouvements de substances à travers la membrane par sa charge négative. Il participe à la reconnaissance du soi en portant les antigènes de surface et présente une activité enzymatique pour les hépatocytes (leucoaminopeptidase) et les entérocytes (maltase).

La membrane des organites, ou endomembrane, peut être simple (réticulum endoplasmique, appareil de Golgi, lysosome) ou bien double (mitochondrie, enveloppe nucléaire). Elle présente la même organisation, à l’exception du cell coat qui est absent. La composition en protéines peut être différente selon l’activité membranaire de l’organite. Par exemple, la membrane interne de la mitochondrie est très riche en protéines.

Le noyau (figure 2.9)

Il est délimité par une enveloppe nucléaire qui se forme à partir du réticulum endoplasmique granulaire (REG). Cette enveloppe est constituée de deux membranes séparées par un espace périnucléaire. Elle est recouverte de ribosomes du côté cytoplasmique.

Figure 2.9 Le noyau

A. Représentation schématique du noyau, de ses rapports avec le RE et le cytosquelette

B. Microscopie électronique. 1. Noyau. 2. Nucléole. 3. Hétérochromatine. 4. Enveloppe nucléaire. 5. Chromatine marginale

Elle présente des pores qui permettent aux molécules de passer dans un sens ou dans l’autre. L’intérieur du noyau contient le nucléoplasme riche en eau et enzymes, la chromatine formée de chromosomes (ADN et protéines) et d’un ou de deux nucléoles. Le nucléole contient de l’ARN ribosomal, c’est le lieu de synthèse des ribosomes. L’ADN dans le nucléoplasme forme la chromatine. L’ADN décondensé forme l’euchromatine (zones claires au ME) et l’ADN condensé forme l’hétérochromatine (zones sombres au ME). Le noyau contient l’information génétique dans les chromosomes. C’est le lieu de la réplication de l’ADN et de la synthèse de l’ARNm (voir chapitre 3 : L’information génétique).

Le réticulum endoplasmique (RE) (figure 2.10)

Le RE est formé de cavités délimitées par une membrane. Lorsque cette membrane porte sur sa face externe des ribosomes le réticulum est rugueux ou granulaire (REG). C’est le lieu de la traduction, étape de la synthèse des protéines (voir chapitre 3 : L’information génétique). Lorsque la membrane est dépourvue de ribosomes le réticulum est lisse (REL).

Figure 2.10 Réticulum endoplasmique

a. REG. b. REL. Le REG et le REL cohabitent dans la même cellule : dans l’hépatocyte, le REL constitue 1/3 et le REG 2/3 de l’ensemble du RE

L’appareil de Golgi (figures 2.11 et 2.12)

Il est constitué par les dictyosomes qui sont des empilements de saccules aplatis. Il se forme à partir du RE par fusion de vésicules de transport sur la face cis (face d’entrée). Ces vésicules transportent des protéines et des lipides. Sur la face trans (face de sortie) se forment des vésicules par bourgeonnement. Ainsi des substances sont transportées sans avoir à traverser de membranes. L’appareil de Golgi intervient aussi dans la maturation des protéines, la synthèse des phospholipides, le tri de molécules, le stockage de calcium, l’autophagie et l’exocytose.

Figure 2.11 Appareil de Golgi

Figure 2.12 Représentation schématique de l’appareil de Golgi d’une cellule glandulaire exocrine. CGN : réseau golgien cis. TGN : réseau golgien trans. COP II : protéine du manteau

Les mitochondries (figure 2.13)

Elles sont constituées d’une membrane externe et d’une membrane interne qui délimitent deux compartiments la chambre externe et la chambre interne ou matrice. La membrane interne forme des replis appelés crêtes mitochondriales où se trouve la chaîne respiratoire, lieu de synthèse de l’ATP. La matrice est le lieu où se déroule le cycle de Krebs, mais aussi la β-oxydation des acides gras. La mitochondrie est l’organite qui fournit de l’énergie à la cellule en milieu aérobie (voir chapitre 1, les molécules du vivant). Elle est aussi le principal réservoir de calcium de la cellule, et joue un rôle prépondérant dans l’apoptose. Elle possède son propre génome qui lui permet de synthétiser une douzaine de protéines. Les autres protéines (99 %) sont importées du cytoplasme.

Figure 2.13 Mitochondrie

Les gènes mitochondriaux peuvent connaître des mutations. Dans l’ataxie de Friedreich, le gène qui code une protéine membranaire (membrane externe), la frataxine, est absent ou muté. Cette protéine est nécessaire pour empêcher la pénétration du fer dans la matrice. Son absence provoque une accumulation de fer qui génère la formation de radicaux libres bloquant la chaîne respiratoire. La production d’énergie est diminuée, la maladie se manifeste par une mauvaise coordination des mouvements, une myasthénie (fatigue musculaire) et une hypertrophie cardiaque en général. Cette maladie atteint une personne sur 50 000.

Le centrosome ou centre cellulaire (figures 2.14 et 2.15)

Il est présent dans toutes les cellules animales. Il est non délimité par une membrane et il est formé de deux centrioles perpendiculaires entourés par le matériel péricentriolaire. Chaque centriole est un organite cylindrique formé de neuf groupes de trois microtubules. Le centrosome organise le système de microtubules du cytosol pendant l’interphase et il se duplique à la mitose formant les deux pôles du fuseau mitotique. Les centrioles sont des structures présentes aussi dans les corpuscules basaux des cils et flagelles (spermatozoïdes).

Figure 2.14 Centriole

a. Coupe transversale de l’extrémité distale. 1. Microtubule C. 2. Microtubule B. 3. Microtubule A

b. Coupe transversale de la partie médiane du centriole. 1. Microtubule C. 2. Microtubule B 3. Lien dense de nexine. 4. Microtubule A

c. Coupe longitudinale. 1. Extrémité distale. 2. Extrémité proximale

d. Coupe transversale de l’extrémité proximale avec le système en roue de charrette

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